光纖傳感器基本原理

隨(sui)著(zhe)工(gong)藝(yi)水(shui)平(ping)的(de)提(ti)高(gao)
，光(guang)纖(xian)技(ji)術(shu)目(mu)前(qian)相(xiang)對(dui)成(cheng)熟(shu)。光(guang)纖(xian)傳(chuan)感(gan)器(qi)即(ji)為(wei)應(ying)用(yong)光(guang)纖(xian)傳(chuan)輸(shu)的(de)基(ji)本(ben)原(yuan)理(li)組(zu)合(he)的(de)一(yi)個(ge)廣(guang)電(dian)感(gan)應(ying)係(xi)統(tong)。通(tong)常(chang)的(de)光(guang)纖(xian)傳(chuan)感(gan)係(xi)統(tong)由(you)光(guang)源(yuan)
、光導纖維

、光傳感元件，光調製元件和信號處理部分組成。其工作原理如下圖所示：光(guang)源(yuan)發(fa)出(chu)的(de)光(guang)經(jing)過(guo)光(guang)導(dao)纖(xian)維(wei)進(jin)入(ru)光(guang)傳(chuan)感(gan)元(yuan)件(jian)
，而(er)在(zai)光(guang)傳(chuan)感(gan)元(yuan)件(jian)中(zhong)受(shou)到(dao)周(zhou)圍(wei)環(huan)境(jing)場(chang)的(de)影(ying)響(xiang)而(er)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)的(de)光(guang)再(zai)進(jin)入(ru)光(guang)調(tiao)製(zhi)機(ji)構(gou)，由(you)其(qi)將(jiang)傳(chuan)感(gan)元(yuan)件(jian)測(ce)量(liang)的(de)參(can)數(shu)調(tiao)製(zhi)成(cheng)幅(fu)度(du)、相位、偏振等信息，這一過程稱為光電轉換過程，最後利用微處理器進行信號分析。

ruqiansuoshukeyikanchuguangxianchuanganqidechuanganjilihediancichuanganqidechuanganjilishixiangside，danshiguangxianchuanganqiyouyuqiceliangxinhaodezaitishijiguang，qizaiguangdaoxianweineibuchuanbo
，hennanshoudaowaijiediancichangganrao，yincishihefuzagongkuangxiadejiance

，qiecaozuofangbianlinghuo，xinhaoshuchuzidonghua。

 
圖1：光纖傳感器

光纖傳感器的分類及特點

光纖傳感器的分類

光纖傳感器的分類有不同的方式

按光纖在光纖傳感器中的作用可分為傳感型和傳光型兩種類型。
chuanganxingguangxianchuanganqideguangxianbujinqichuandiguangzuoyong，tongshiyoushiguangdianminganyuanjian。youyuwaijiehuanjingduiguangxianzishendeyingxiang，daiceliangdewuliliangtongguoguangxianzuoyongyuchuanganqishang
，shiguangbodaodeshuxing(光強、相位

、偏振態、波長等)被調製。傳感器型光纖傳感器又分為光強調製型、相位調製型
、振態調製型和波長調製型等。

傳光型光纖傳感器

傳光型光纖傳感器是將經過被測對象所調製的光信號輸入光纖後,通(tong)過(guo)在(zai)輸(shu)出(chu)端(duan)進(jin)行(xing)光(guang)信(xin)號(hao)處(chu)理(li)而(er)進(jin)行(xing)測(ce)量(liang)的(de)，這(zhe)類(lei)傳(chuan)感(gan)器(qi)帶(dai)有(you)另(ling)外(wai)的(de)感(gan)光(guang)元(yuan)件(jian)對(dui)待(dai)測(ce)物(wu)理(li)量(liang)敏(min)感(gan)，光(guang)纖(xian)僅(jin)作(zuo)為(wei)傳(chuan)光(guang)元(yuan)件(jian)，必(bi)須(xu)附(fu)加(jia)能(neng)夠(gou)對(dui)光(guang)纖(xian)所(suo)傳(chuan)遞(di)的(de)光(guang)進(jin)行(xing)調(tiao)製(zhi)的(de)敏(min)感(gan)元(yuan)件(jian)才(cai)能(neng)組(zu)成(cheng)傳(chuan)感(gan)元(yuan)件(jian)。光(guang)纖(xian)傳(chuan)感(gan)器(qi)根(gen)據(ju)其(qi)測(ce)量(liang)範(fan)圍(wei)還(hai)可(ke)分(fen)為(wei)點(dian)式(shi)光(guang)纖(xian)傳(chuan)感(gan)器(qi)
、積分式光纖傳感器、分布式光纖傳感器三種。其中，分布式光纖傳感器被用來檢測大型結構的應變分布，可以快速無損測量結構的位移、內部或表麵應力等重要參數。目前用於土木工程中的光纖傳感器類型主要有Math-Zender幹涉型光纖傳感器，Fabry-pero 腔式光纖傳感器
，光纖布喇格光柵傳感器等。

 
圖2：光電傳感器工作原理

光纖傳感器的特點

研究和工程應用表明光纖傳感器具有如下特點：

⑴高gao靈ling敏min度du，抗kang電dian磁ci幹gan擾rao。由you於yu光guang纖xian傳chuan感gan器qi檢jian測ce係xi統tong很hen難nan受shou到dao外wai界jie場chang的de幹gan擾rao
，且qie光guang信xin號hao在zai傳chuan輸shu中zhong不bu會hui與yu電dian磁ci波bo發fa生sheng作zuo用yong
，也ye不bu受shou任ren何he電dian噪zao聲sheng的de影ying響xiang
，由you於yu這zhe一yi特te征zheng，光guang纖xian傳chuan感gan器qi在zai電dian力li係xi統tong的de檢jian測ce中zhong得de到dao了le廣guang泛fan應ying用yong。

⑵光纖具有很好的柔性和韌性，所以傳感器可以根據現場檢測需要做成不同的形狀。

⑶測量的頻帶寬、動態響應範圍大。

⑷可移植性強
，可以製成不同的物理量的傳感器，包括聲場、磁場
、壓力、溫度、加速度、位移
、液位、流量、電流

、輻射等。

⑸可嵌入性強
，便於與計算機和光纖係統相連，易於實現係統的遙測和控製。

 
圖3：光纖傳感器應用電路圖

光纖傳感器土木工程中的應用舉例

隨著光纖傳感技術的發展，在土木工程領域光纖傳感器得到了廣泛的應用

，用來測量混凝土結構變形及內部應力，檢測大型結構、橋梁健康狀況等，其中最主要的都是將光纖傳感器作為一種新型的應變傳感器使用。

光(guang)纖(xian)傳(chuan)感(gan)器(qi)可(ke)以(yi)黏(nian)貼(tie)在(zai)結(jie)構(gou)物(wu)表(biao)麵(mian)用(yong)於(yu)測(ce)量(liang)，同(tong)時(shi)也(ye)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)預(yu)埋(mai)實(shi)現(xian)結(jie)構(gou)物(wu)內(nei)部(bu)物(wu)理(li)量(liang)的(de)測(ce)量(liang)。利(li)用(yong)預(yu)先(xian)埋(mai)入(ru)的(de)光(guang)纖(xian)傳(chuan)感(gan)器(qi)，可(ke)以(yi)對(dui)混(hun)凝(ning)土(tu)結(jie)構(gou)內(nei)部(bu)損(sun)傷(shang)過(guo)程(cheng)中(zhong)內(nei)部(bu)應(ying)變(bian)的(de)測(ce)量(liang)，再(zai)根(gen)據(ju)荷(he)載(zai)－應變關係曲線斜率，可確定結構內部損傷的形成和擴展方式。通過混凝土實驗表明，光纖測試的載荷－應變曲線比應變片測試的線性度高。

在實際的工程應用中要實現對結構建築物的全方位、長期的檢測就要解決好光纖傳感器的布設問題。為了不至於對傳感器造成施工損傷破壞，一般可以采用以下方法：

①將(jiang)一(yi)金(jin)屬(shu)導(dao)管(guan)套(tao)在(zai)光(guang)纖(xian)傳(chuan)感(gan)器(qi)上(shang)，一(yi)起(qi)置(zhi)於(yu)混(hun)凝(ning)土(tu)結(jie)構(gou)中(zhong)。混(hun)凝(ning)土(tu)澆(jiao)築(zhu)後(hou)，在(zai)混(hun)凝(ning)土(tu)固(gu)結(jie)前(qian)將(jiang)金(jin)屬(shu)導(dao)管(guan)取(qu)出(chu)，這(zhe)樣(yang)光(guang)纖(xian)光(guang)柵(zha)傳(chuan)感(gan)器(qi)與(yu)混(hun)凝(ning)土(tu)很(hen)好(hao)地(di)固(gu)結(jie)在(zai)一(yi)起(qi)

，而(er)且(qie)不(bu)會(hui)因(yin)為(wei)澆(jiao)築(zhu)過(guo)程(cheng)損(sun)壞(huai)傳(chuan)感(gan)器(qi)。

②由於鋼筋的應力－應ying變bian也ye足zu以yi反fan映ying鋼gang筋jin附fu件jian的de混hun凝ning土tu受shou力li狀zhuang態tai，可ke以yi將jiang光guang纖xian光guang柵zha傳chuan感gan器qi直zhi接jie粘zhan貼tie於yu鋼gang筋jin上shang，或huo在zai鋼gang筋jin表biao麵mian開kai一yi個ge小xiao凹ao槽cao
，使shi光guang柵zha的de裸luo纖xian芯xin部bu分fen嵌qian進jin凹ao槽cao得de以yi保bao護hu，或huo在zai建jian造zao橋qiao時shi把ba光guang纖xian埋mai進jin複fu合he筋jin。③將(jiang)光(guang)纖(xian)光(guang)柵(zha)直(zhi)接(jie)埋(mai)入(ru)小(xiao)型(xing)預(yu)製(zhi)構(gou)件(jian)或(huo)者(zhe)封(feng)裝(zhuang)在(zai)金(jin)屬(shu)導(dao)管(guan)中(zhong)然(ran)後(hou)把(ba)小(xiao)型(xing)預(yu)製(zhi)構(gou)件(jian)作(zuo)為(wei)大(da)型(xing)構(gou)件(jian)的(de)一(yi)部(bu)分(fen)埋(mai)入(ru)，外(wai)部(bu)荷(he)載(zai)通(tong)過(guo)預(yu)製(zhi)件(jian)或(huo)金(jin)屬(shu)導(dao)管(guan)傳(chuan)遞(di)到(dao)光(guang)纖(xian)光(guang)柵(zha)傳(chuan)感(gan)器(qi)上(shang)。

結語

光纖傳感器進入結構監測領域具有重要意義。光纖傳感器的輕巧性、耐用性和長期穩定性，使其能夠方便的應用於建築鋼結構和混凝土等各種建築材料的內部應力、應變檢測。實現的建築結構的健康檢測。